Per la prima volta, gli scienziati hanno osservato in modo diretto le onde gravitazionali: increspature nel “tessuto” dello spaziotempo, perturbazioni del campo gravitazionale, arrivate sulla Terra dopo essere state prodotte da un cataclisma astrofisico avvenuto nell’universo profondo. Questo conferma un’importante previsione della Relatività Generale diAlbert Einstein del 1915, e apre uno scenario di scoperte senza precedenti sul cosmo. Le ondegravitazionali portano informazioni sulle loro violente origini e sulla natura della gravita’, informazioni che non possono essere ottenute in altro modo. Cambia per sempre, da oggi, il modo in cui guardiamo l’Universo. Il tessuto dello spazio-tempo può essere ‘increspato’ da eventi cosmici scatenati da corpi celesti di massa incredibile, come i buchi neri che il segnale captato da Ligo ha per la prima volta permesso di ‘vedere’ e ascoltare.
I fisici hanno determinato che le onde gravitazionalirivelate sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri in un unico buco nero ruotante piu’ massiccio. Questo processo era stato previsto ma mai osservato prima. La scoperta e’ stata annunciata dalle collaborazioni LIGO e VIRGO nel corso di due conferenze simultanee, negli Stati Uniti a Washington, e in Italia a Cascina (Pisa).
La ricerca italiana ha infatti avuto un ruolo primario nella scoperta. Nella sede dell’Osservatorio Gravitazionale Europeo EGO a Cascina, si trova l’interferometro VIRGO, lo strumento laser usato per osservare le onde gravitazionali e frutto di un progetto ideato, realizzato e condotto dall’INFN e dal CNRS con il contributo di Nikhef (Paesi Bassi), e in collaborazione con POLGRAW – Polska Akademia Nauk (Polonia) e Wigner Institute (Ungheria). Il progetto e’ nato dall’originale idea dell’italiano Adalberto Giazotto e del francese Alain Brillet, e vi collaborano oggi circa 250 fisici e ingegneri, di cui la meta’ dell’INFN, provenienti da 19 laboratori europei.
L’INFN partecipa a VIRGO con le proprie Sezioni presso le Universita’ di Pisa, Firenze con il gruppo di ricerca di Urbino, Perugia, Genova, Roma Sapienza, Roma Tor Vergata, Napoli, Padova, e i Centri Nazionali Tifpa di Trento e Gran Sasso Science Institute dell’Aquila. Plauso ai ricercatori italiani dal premier Matteo Renzi e dal ministro dell’Istruzione, Stefania Giannini.
Le onde gravitazionali sono state rivelate il 14 settembre 2015, alle 10:50:45 ora italiana da entrambi gli strumenti gemelli Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), negli Stati Uniti, a Livingston, in Louisiana, e a Hanford, nello stato di Washington.
Gli osservatori LIGO, finanziati dalla National Science Foundation (NSF) e operati da Caltech e MIT, hanno registrato l’arrivo delle onde gravitazionali entro una finestra temporale di coincidenza di 10 millisecondi. L’importante risultato, pubblicato oggi sulla rivista scientifica Physical Review Letters, e’ stato ottenuto, grazie ai dati dei due rivelatori LIGO, dalle Collaborazioni Scientifiche LIGO (che include la Collaborazione GEO600 e l’Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy) e VIRGO, che fa capo allo European Gravitational Observatory (EGO), fondato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italiano e dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) francese.
Le onde gravitazionali rivelate sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri, di massa equivalente a circa 29 e 36 masse solari, in un unico buco nero ruotante piu’ massiccio di circa 62 masse solari: le 3 masse solari mancanti al totale della somma equivalgono all’energia emessa durante il processo di fusione dei due buchi neri, sotto forma di onde gravitazionali. I due buchi neri, prima di fondersi, hanno spiraleggiato, per poi scontrarsi a una velocita’ di circa 150.000 km/s, la meta’ della velocita’ della luce.
L’osservazione conferma anche l’esistenza di sistemi binari di ‘buchi neri di massa stellare’, in particolare aventi massa maggiore di 25 masse solari. Il processo di fusione dei due buchi neri responsabile delle onde gravitazionali rivelate e’ un evento accaduto a 410 megaparsec da noi, e risale quindi a quasi un miliardo e mezzo di anni fa, quando sulla Terra facevano la loro comparsa le prime cellule evolute in grado di utilizzare l’ossigeno. “Questo risultato rappresenta una pietra miliare nella storia della fisica, ma ancor piu’ e’ l’inizio di un nuovo capitolo per l’astrofisica, – spiega Fulvio Ricci, ricercatore dell’INFN che coordina la collaborazione internazionale VIRGO, e professore a La Sapienza Universita’ di Roma – perche’ nei prossimi anni continueranno ad arrivare altri importanti risultati dagli interferometri LIGO e VIRGO, che oggi sono organizzati in un’unica rete globale di rivelatori di onde gravitazionali”.
“Osservare il cosmo attraverso le onde gravitazionali – prosegue Ricci – cambia radicalmente le nostre possibilita’ di studiarlo: fino ad ora e’ come se lo avessimo guardato attraverso delle radiografie, mentre adesso siamo in grado di fare l’ecografia del nostro universo”. “Sembrava una sfida impossibile, come sostenuto dallo stesso Einstein, che reputava questi segnali troppo deboli per una possibile rivelazione, invece ci siamo riusciti”, commenta Pia Astone, ricercatrice INFN che ha curato la redazione dell’articolo scientifico sulla scoperta assieme ad altri cinque colleghi di VIRGO e LIGO.
“Finalmente possiamo osservare l’universo con occhi diversi, – prosegue Astone – non e’ un caso, infatti, che la prima misura diretta di ampiezza e fase delle onde gravitazionali sia stata accompagnata da un’altra importante scoperta, quella della fusione di un sistema binario di buchi neri”. Rivelare le onde gravitazionali e’ un’impresa complessa perche’ l’interazione gravitazionale e’ la piu’ debole dell’universo. I fisici hanno cosi’ progettato speciali rivelatori, la cui realizzazione ha richiesto nuove soluzioni tecnologiche d’avanguardia. Sono gli interferometri laser: costituiti da due bracci perpendicolari lunghi chilometri (4 km in LIGO e 3 km in VIRGO) al cui interno sono fatti propagare fasci laser, riflessi da specchi per allungarne il percorso, e quindi ricombinati a formare una figura di interferenza. Quando un’onda gravitazionale attraversa l’interferometro produce una variazione nella lunghezza dei bracci: uno si allunga mentre l’altro si accorcia. Queste variazioni di lunghezza, che sono molto piu’ piccole del diametro del nucleo di un atomo, producono uno sfasamento della luce laser che viene osservato dal rivelatore.
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